膨胀型防火涂料对高压电力电缆引燃特性影响的实验研究

2020-06-30李陈莹谢启源

火灾科学 2020年4期

刘洋，陈杰，李陈莹，陈红，刘凯，谢启源*

(1.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，南京，211103；2.中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026；3.中国科学技术大学先进技术研究院，合肥，230088)

0 引言

随着中国经济的快速发展，电力电缆被广泛应用于各行各业。在过去的2018年，我国电缆行业销售收入超过1.4万亿元[1]，并且城市的信息化和现代化的建设对电力电缆的需求仍然在增加。现代社会对电力系统的依赖性使得电力电缆尤其是高压电力电缆的安全运行至关重要。高压电力电缆是一种主要包括绝缘层、阻水层和护套层等聚合物的特殊结构可燃物，其受热升温、径向传热及形变燃烧过程都较复杂，针对高压电力电缆火灾特性的研究是电力消防系统工作的重点[2]。基于此，不少学者对电缆的燃烧行为进行了一定的研究。Gong等[3]开展了0.1 m的短电缆样品在不同辐射加热条件下的受热响应实验，分析了电缆样品在受热过程中的膨胀、破裂、相变及内层外传热对点燃过程的影响，并给出了ZR-YJV电缆受热变形过程的五个阶段。王蔚等[4]和付强等[5,6]从微观分析入手，基于锥形量热仪建立了简化电缆点燃模型，对电缆点燃性能的影响因素进行了分析，指出电缆的点燃时间与护套层厚度呈Boltzmann函数关系，与线芯层厚度呈指数衰减函数关系，护套层厚度对电缆点燃时间的影响要远大于线芯层厚度的影响。

随着防火要求的提高，在电缆使用过程中，常以阻燃电缆代替普通电缆或喷涂防火涂层的方式来减少电缆火灾的发生[7,8]。膨胀型防火涂料由于防火性能优异且工艺性能较好，使用范围十分广泛[9-11]。Fateh等[12]通过对膨胀型防火涂料进行研究，指出膨胀型防火涂料的存在能够起到显著的隔热作用，但是当其用量高于500 g/m2时，防火效果不再随着用量的增加而产生明显的变化。Weil[13]讨论了泡沫炭层的化学作用以及防火涂料中的聚磷酸铵与二氧化钛等其它组分的相互作用，并针对当今涂料的一些缺点，如耐水性提出改进的方向。前人的研究多专注于防火涂料本身的使用特性与作用机理，极少将电缆防火涂料与电缆本身相结合，而研究覆有防火涂层的电缆的引燃行为更符合实际工程的需求。本文将通过实验对防火效果较佳的膨胀型高氯化聚乙烯防火涂料对电缆的保护作用进行深入研究和分析，对比覆有不同厚度防火涂层的电缆在环形变热流条件下的受热行为、引燃时间以及涂料对外护套的保护作用过程等，基于此研究得到的防火涂层的相关数据可为实际工程应用中电力系统的防火参数的工程设计提供参考。

1 实验方法

1.1 实验装置

图1给出了变热流条件下的电缆加热、引燃与燃烧实验装置[14]。该实验装置主要由控制柜、桶式环形变热流加热炉和样品支架三部分构成。图2为被加热电缆样品表面及周围的热电偶布置示意图，电缆的左右两侧以及背部各有两支热电偶与电缆表面直接接触，此外，电缆的下方有一支热电偶，用于测量加热炉内环境温度。

图1 电缆加热引燃装置布置图

图2 典型辐射热通量下电缆样品周围热电偶布置示意图

1.2 电缆样品

本实验所选用的电缆样品为YJLW03-Z-64/110-1*1000型号的高压电力电缆，在该型号中，YJ含义为交联聚乙烯绝缘(XLPE)，LW含义为皱纹铝铠装护套，03表示聚乙烯外护套(PE)，Z表示阻水，64/110标明了该电缆的额定相/线电压是64/110 kV，1*1000表示电缆为单芯，且截面积为1 000 cm2。该高压电力电缆由内向外的各层材料依次为铜芯导体、XLPE绝缘、皱纹铝铠装护套、阻水包带以及PE外护套。

膨胀型高氯化聚乙烯防火涂料以高氯化聚乙烯为基料，多聚磷酸铵-三聚氰铵-季戊四醇为阻燃剂，硅灰石等为颜填料。膨胀型防火涂料一旦受热，发泡剂往往最先反应，生成大量不燃气体，且形成泡沫层。而随着加热作用的继续施加，防火涂料则进一步发生酯化反应，涂料中往往含胺催化剂，用于加速该阶段反应。最后，材料发生脱水炭化反应，形成无机物以及含炭残余物，整个防火涂料体系发生脱水成炭作用，电缆表面最终生成多孔疏松炭层。

图3给出了不同厚度防火涂料加热引燃实验中所使用的电缆样品图片，电缆样品长100 mm，直径116 mm。电缆表面的防火涂料为尤乐牌膨胀型高氯化聚乙烯防火涂料，涂料密度为1.1 kg/m3，使用喷枪对置于匀速旋转的转盘上的电缆样品进行喷涂处理，喷涂的电缆防火涂层密度分别为0 g/m2(即不对电缆进行喷涂处理)、550 g/m2、1 100 g/m2、1 650 g/m2，该涂料喷涂密度分别对应的电缆涂层厚度为0 mm、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm。防火涂料干燥后的电缆放置于如图4所示的电缆笼中，电缆两侧垫有隔热棉，故加热装置对电缆两端的加热可忽略，仅对电缆外表面起到辐射加热作用。

图3 单芯电缆样品图片

图4 电缆笼中涂刷防火涂料电缆样品

1.3 加热工况

加热炉通电后，通过水冷热流计测量样品位置的辐射热通量，因为实验中所使用的电缆样品的长度只有10 cm，相较于加热炉内1 m长的硅碳棒要短得多，所以可以认为电缆样品由底部到顶部所受到的辐射热流是均匀的。

图5是最大稳定热流为55 kW/m2的环形加热炉中心线处热流变化曲线，在该加热功率下加热一段时间后，加热炉内热流才达到稳定加热阶段，此时的辐射热通量即为对应的最大稳定热流：55 kW/m2。这里的各组实验，电缆样品的加热与引燃过程，都在该加热功率条件下展开。即，加热炉内热流开始阶段呈递增趋势，之后达到稳定状态，以此来模拟真实火灾场景中物体的受热过程。

图5 最大稳定热流为55 kW/m2条件下测得的炉内中心线处热流变化曲线

2 结果与讨论

为了更好地研究防火涂料对电缆的保护作用，这里重点分析一定加热条件下膨胀型高氯化聚乙烯防火涂料的受热行为以及不同涂层厚度防火涂料对电缆引燃特性的影响。

2.1 不同涂层厚度电缆加热引燃实验

膨胀型涂料由于其较好的隔热防火性和工艺性能，在实际工程中有较广泛的应用。通过图6中膨胀型高氯化聚乙烯防火涂层厚度为1.0 mm的电缆在加热炉环形辐射加热过程中的变化，可看出该防火涂层出现明显的膨胀现象。即，随着加热的进行，辐射热流逐渐增加，炉内温度随之升高，背对加热炉开口方向的电缆表面率先起泡并越来越密集，小的泡沫渐渐形成更大的泡沫，生成较软的泡沫状碳质层，涂料体积明显增大，当电缆起火时，泡沫层开始破损坍塌，电缆起火后火势较弱。膨胀型高氯化聚乙烯防火涂料可以较好地阻止电缆的火蔓延，明火仅出现在电缆外护套较小的范围内。

图6 涂层厚度为1.0 mm时电缆典型受热变化过程

将涂层厚度分别为0 mm、0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm的电缆置于最大稳定热流为55 kW/m2的环形辐射加热炉中进行过引燃实验，引燃时间如图7所示。

图7 未喷涂以及喷涂不同厚度涂料的电缆的引燃时间比较

当电缆涂层厚度为0 mm即电缆表面未喷涂防火涂料时，在最大稳定热流为55 kW/m2的环形辐射加热中至490 s时电缆被引燃，当电缆涂层厚度为0.5 mm时，加热721 s后电缆起火，可见0.5 mm厚度的阻燃涂层可将同样加热条件下电缆的着火时间推迟近4 min。从这两组数据可以看出，膨胀型高氯化聚乙烯防火涂料可以明显地延迟电缆开始着火的时间，对电缆内部起到保护作用。由图5知，在该时间段内，电缆辐射热流仍随时间的增加而增大，故覆有防火涂层的电缆在未喷涂防火涂层的电缆引燃后受到更强的辐射热流，即相同工况下，该防火涂层对电缆引燃的延迟时间要比图7所示的间隔更长。随着涂料厚度的增加，电缆开始着火的时间会继续延后，当电缆喷涂1.0 mm以及1.5 mm厚度的防火涂层时，电缆的引燃时间均在开始加热后的770 s之后，相较于未喷涂防火涂层的电缆推迟了近5 min，但喷涂1.0 mm以及1.5 mm厚度的防火涂料的电缆引燃时间十分接近。可见，此时电缆防火涂层厚度的增加不会再显著影响电缆的引燃时间。同时，在保证防火涂料功能与效果的基础上考虑喷涂电缆涂料的经济性，可认为该电缆的膨胀型高氯化聚乙烯防火涂层喷涂的最适厚度为1.0 mm。

图8为电缆喷涂厚度为1.5 mm的膨胀型高氯化聚乙烯防火涂料的电缆表面及周围温度变化，由于该涂料在受热过程中明显的膨胀作用，电缆喷涂膨胀型高氯化聚乙烯防火涂料后，在电缆被引燃前，电缆表面的温度经历了3个不同的阶段：第一阶段为自开始加热至加热459 s，在此时间段内，电缆涂层形态并未发生明显变化，从防火涂料膨胀行为分析，可认为此时处于惰性阶段。第二阶段则从459 s开始，电缆背对加热炉开口的表面的涂料开始起泡膨胀，且膨胀现象随时间变化的较为剧烈。电缆涂层体积不断增大，电缆表面的热电偶所测得的温度上升速度相对减慢。由于热电偶位置固定，当涂料膨胀时，热电偶进入涂料泡沫层内部；第三阶段为电缆表面的涂料膨胀到一定的程度，涂料体积不再增加，热电偶所测得的温度曲线中此时出现一个较为平缓的阶段，可看作是“平台”现象。当电缆加热至776 s时起火。即当电缆表面喷涂膨胀型高氯化聚乙烯防火涂料时，由于膨胀作用，在着火前电缆表面的涂料温度出现不再上升的现象，电缆外护套温度也将停止上升，所以相对于未喷涂该防火涂料的电缆来说，喷涂膨胀型高氯化聚乙烯防火涂料的电缆引燃时间能够延后。

图8 涂层厚度为1.5 mm的电缆表面以及周围温度变化

图9为电缆表面喷涂膨胀型高氯化聚乙烯防火涂层的厚度分别是0 mm、0.5 mm、1.0 mm和1.5 mm时电缆左右两侧的表面温度。利用该温度可以分析在该辐射加热条件下膨胀型高氯化聚乙烯防火涂料对电缆的保护时间。这里，将热电偶测得的电缆左右表面温度变化曲线中刚开始出现拐点时刻作为防火涂层膨胀隔热而对电缆外护套起保护作用的开始时刻，另取电缆着火时刻认为是该保护作用的截止时刻，防火涂料的膨胀作用对电缆起到保护的时间即为这两者之间的时间差。

图9 喷涂不同厚度涂料的电缆表面温度变化

由图9可见，当电缆未喷涂防火涂料时，不存在上述的保护时间。当喷涂0.5 mm的涂层厚度时，由热电偶温度变化曲线可得，电缆右侧表面在496 s时涂料首先开始膨胀，此时对应的温度为300 ℃，左侧表面涂料在一分钟后的567 s开始膨胀。该涂层厚度下的电缆于第721 s时被引燃，即可得到该厚度的防火涂层对电缆右左表面的保护时间分别为225 s和154 s。当喷涂1.0 mm的涂层厚度时，电缆右侧表面最早在492 s涂料开始膨胀，此时对应的温度为276 ℃，而电缆左侧表面在540 s时开始膨胀。该涂层厚度下的电缆受热774 s后引燃，可见，1.0 mm厚度的防火涂层对电缆左、右表面的保护时间分别为234 s和282 s。同理可得当防火涂料为1.5 mm的厚度时对电缆左、右两侧表面的保护时间分别为317 s和225 s。随着防火涂料厚度的增加，其膨胀作用对电缆侧面保护的时间往往越长，此外，在防火涂料自开始膨胀至电缆引燃的时间区间内，热电偶所测量的涂层膨胀区域内部温度并未显著升高。

图10为喷涂不同厚度的防火涂层后的电缆在最大稳定热流为55 kW/m2时的环形加热炉内加热后的质量损失与质量损失速率曲线。对于有防火涂层的曲线即涂层厚度为0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm的曲线表现出相似的变化规律，根据曲线在各时间段内变化趋势的不同，可将电缆的质量损失以及质量损失速率曲线分为4个阶段。从电缆开始受热到400 s左右为第一阶段，此时，电缆表面涂层开始受热，碳化剂发生脱水成碳，该阶段的质量损失主要是由所喷涂防火涂料自身受热而发生化学反应引起。在之后的300 s左右可认为是第二阶段，此时电缆后方的膨胀型高氯化聚乙烯防火涂料率先膨胀在电缆的表面形成泡沫保护层，从而在一定程度上可以隔绝外部辐射对电缆的加热，而当后方的防火涂料充分反应时电缆左右两个侧面由于温度较低还未完全膨胀，此时对应的质量损失速率下降。从700 s～1 000 s左右可视为第三阶段，随着加热的继续进行，电缆的温度不断升高。其后面的涂料反应完全，甚至部分泡沫层脱落，保护作用减弱，致使电缆的外护套直接暴于热辐射中并开始热解，同时除后方的防火涂料外其他部位的涂料开始膨胀生成泡沫层，故该阶段的质量损失速率较大。之后电缆进入第四阶段，即当电缆燃烧后关闭环形加热炉电源，悬挂在炉内的电缆呈小火燃烧状态，直到火焰熄灭，此时的燃烧并不非常剧烈，因此，电缆质量损失速率相对较小。

图10 喷涂不同厚度防火涂料的电缆质量损失以及质量损失速率

此外，进一步对比图10中喷涂4种不同厚度膨胀型高氯化聚乙烯防火涂料的电缆的质量损失速率曲线，以质量损失速率曲线中的第一个波峰和第一个波谷之间的时间间隔作为防火涂料对电缆的保护时间，即主要是指电缆后方的涂料对电缆外护套的保护，可认为是狭义的保护时间。如图10所示，随着防火涂料厚度的增加，电缆质量损失速率的第一个波峰出现的越早，第一个波谷明显延迟，由此使得防火涂层越厚，其对电缆的保护的时间越长，故电缆的引燃时间也会相应延迟。